应用双样本孟德尔随机化方法对肌肉减少症与认知障碍的因果关系的研究

[摘要]"目的"采用双样本孟德尔随机化（Mendelian"randomization，MR）方法探究肌肉减少症与认知障碍之间的因果关系。方法"将肌肉减少症主要表现握力、步行速度、四肢肌肉质量（appendicular"lean"mass，ALM）定义为暴露因素，将认知障碍的认知功能和认知表现作为研究的结局疾病。采用MR统计学方法分析两者之间的因果关系。结果"在肌肉减少症与认知障碍疾病的因果关系推断中，肌肉减少症与认知表现之间存在正相关关系。步行速度、ALM与认知功能之间也存在正相关。握力大小与认知功能之间未观察到显著的因果关系。在反向MR分析中，认知表现与步行速度、ALM呈正相关，而与握力大小之间无显著因果关系。认知功能与步行速度呈正相关，而与握力大小和ALM无显著因果关系。结论"肌肉减少症可增加认知障碍疾病发生的风险，ALM和认知表现存在双向因果关系。

[关键词]"孟德尔随机化；肌肉减少症；认知障碍；认知表现；遗传变异

[中图分类号]"R685.5""""""[文献标识码]"A""""""[DOI]"10.3969/j.issn.1673-9701.2024.36.013

Study"on"the"causal"relationship"between"sarcopenia"and"cognitive"impairment"by"using"two-sample"Mendelian"randomization

BI"Yujie1，2，"YANG"Yuxin1，"LIU"Leshi1，"MA"Dujun1，2，"ZHAO"Jing1，"ZHONG"Qiuhui1，"ZHU"Houjun1

1.The"Fourth"Clinical"Medical"College"of"Guangzhou"University"of"Chinese"Medicine，"Shenzhen"518033，"Guangdong，"China;"2.Department"of"Orthopedics，"Shenzhen"Traditional"Chinese"Medicine"Hospital，"Shenzhen"518033，"Guangdong，"China

[Abstract]"Objective"To"explore"the"causal"relationship"between"sarcopenia"and"cognitive"impairment"by"using"a"two-sample"Mendelian"randomization"（MR）"study"design."Methods"Hand"grip"strength，"usual"walking"pace，"and"appendicular"lean"mass"（ALM）"were"identified"as"the"primary"exposure"factors"for"sarcopenia，"while"cognitive"function"and"cognitive"performance"associated"with"cognitive"impairment"were"considered"as"the"outcome."The"MR"statistical"method"was"applied"to"examine"the"causal"associations"between"both"variables."Results"The"analysis"revealed"a"positive"correlation"between"sarcopenia，"as"indicated"by"hand"grip"strength，"usual"walking"pace"and"ALM，"and"cognitive"performance."Usual"walking"pace"and"ALM"were"positively"associated"with"cognitive"function."No"significant"causal"relationship"was"detected"between"hand"grip"strength"and"cognitive"function."In"the"reverse"MR"analysis，"cognitive"performance"showed"a"positive"correlation"with"usual"walking"pace"and"ALM，"but"no"significant"causal"link"was"found"with"hand"grip"strength."Cognitive"function"was"positively"related"to"usual"walking"pace，"but"no"significant"associations"were"observed"with"hand"grip"strength"and"ALM."Conclusion"Sarcopenia"is"associated"with"an"increased"risk"of"cognitive"impairment，"and"a"bidirectional"causal"relationship"appears"to"exist"between"ALM"and"cognitive"performance.

[Key"words]"Mendelian"randomization;"Sarcopenia;"Cognitive"impairment;"Cognitive"performance;"Heritable"variation

肌肉减少症是一种以肌肉质量、力量、身体功能减退为特征的骨骼肌系统疾病，其发病风险与年龄的增长呈正相关，是全世界老年人正在面临的严重公共卫生问题。研究发现在年龄gt;60岁的患者中肌肉减少症患病率为10%～27%，重度肌肉减少症的患病率为2%～9%[1]。这导致老年人跌倒风险的增加，住院时间延长，进而增大老年人寿命缩短的风险[2]。与此同时，认知障碍发生风险随着年龄的增长而增加，研究表明认知障碍影响15.1%的≥80岁人群和35.7%的≥90岁人群[3]。回顾研究发现认知障碍和肌肉减少症互相影响，肌肉减少症可导致血管稳态不良，引发认知障碍疾病的发生[4]。部分研究表明认知障碍可在一定程度上预测老年人肌肉减少症的发生概率。然而，一些研究表明肌肉减少症和认知障碍之间没有显著关联[5]。这些矛盾性的结果很难推断出肌肉减少症和认知障碍之间的因果关系，尤其是既往的研究存在一些受研究设计、种族差异和混杂因素的影响[6]。孟德尔随机化（Mendelian"randomization，MR）研究是一种利用遗传变异单核苷酸多态性（single"nucleotide"polymorphism，SNP）作为工具变量的方法，通过自然随机分配的遗传变异规避混杂因素的影响，提供一种更为精确和可靠的因果推断手段。本研究使用可公开获取的全基因组关联研究（genome-wide"association"study，GWAS）数据集，探讨肌肉减少症与认知障碍间潜在的因果关系，以期为两者发展之间的关系提供相关的研究指导。

1""材料与方法

1.1""研究设计

孟德尔随机化分析需要满足以下3个假设以确保研究结果的准确性和可靠性：首先，选择的工具变量SNP与暴露因素之间存在强关联（Plt;5×10–8和统计量Fgt;10）；其次，SNP与其他混杂因素无关；最后，工具变量仅通过暴露因素对结局产生影响[7-8]。本研究所使用的工具变量SNP在Phenoscanner数据库中进行查询，确定筛选出的工具变量与已知的混杂因素无关。在MR分析中第一步使用认知障碍作为暴露因素对作为结局的肌肉减少症相关性进行孟德尔随机化因果分析；第二步则相反。研究设计流程见图1。

1.2""数据来源

将肌肉减少症的3个主要表现握力、步行速度、四肢肌肉质量（appendicular"lean"mass，ALM）分别定义为暴露因素，将认知障碍的认知功能和认知表现作为研究的结局疾病[9-10]。两者相关特征GWAS汇总数据来自IEU"OpenGWAS数据库，详细特征信息见表1。研究数据均为已发表的公开数据，无须进行额外的伦理批准。

1.3""遗传工具变量的选择

本研究通过严格的质量控制筛选合格的SNP作为暴露工具变量，以保证MR分析结果的稳健性。首先，本研究获得与暴露相关的SNP（Plt;5×10–8），由于认知功能作为暴露因素时的SNP只有3个，为确保研究更具有临床观察效果，采用Plt;5×10–6条件获取SNP。其次，以（r2lt;0.001，聚集距离=10"000kb），以消除所包含的工具变量之间的连续不平衡。第三，选择Fgt;10的SNP作为工具变量满足与暴露的强相关性[11]。

1.4""MR分析

采用逆方差加权（inverse"variance"weighted，IVW）方法作为主要的统计学方法，以MR-Egger、加权中位数法、简单模式、加权模式作为补充评估肌肉减少症与认知障碍之间的双向因果关系[12-13]。使用MR-PRESSO方法评估工具变量的多效性，识别并移除异常值SNP。本研究采用Bonferroni校正方法矫正P值[P=0.05/（2×3）=0.008]，即Plt;0.008为差异有统计学意义。此外，本研究还进行反向MR分析，探究认知障碍是否对肌肉减少症具有因果关系。

1.5""敏感度分析

为检验结果的稳健性，本研究执行多项敏感度分析。首先，通过Cochran’s"Q统计量评估工具变量之间的异质性。Plt;0.05则表明存在异质性[14]。使用MR-Egger截距测试评估水平多效性。使用留一法分析确保研究结果的稳健性[15]。

2""结果

2.1""工具变量

本研究中共筛选出176个与握力显著相关的SNP、57个与步行速度显著相关的SNP、690个与ALM显著相关的SNP、147个与认知表现显著相关的SNP及31个与认知功能显著相关的SNP。

2.2""肌肉减少症相关特征与认知障碍的因果关系

IVW分析结果表明，握力大小与认知表现之间存在正相关关系（OR=1.16，95%CI：1.08～1.24，P=2.21×10–5）。步行速度与认知表现状态呈正相关（OR=1.87，95%CI：1.53～2.27，P=6.37×10–10）。步行速度与认知功能也呈显著正相关（OR=3.02，95%CI：2.01～4.53，P=1.00×10–7）。ALM与认知表现状态（OR=1.08，95%CI：1.06～1.10，P=6.26×10–17）和认知功能（OR=1.10，95%CI：1.05～1.15，P=8.33×10–5）均显示出正相关性。然而，握力大小与认知功能之间并未观察到显著的因果关系（OR=1.20，95%CI：1.00～1.43，P=0.046）。MR-Egger、加权中位数法、简单模式和加权模式的分析结果在方向上均与IVW分析一致。见图2。敏感度分析结果未表现出工具变量的水平多效性，见表2。留一法结果未见离群值。

2.3""认知障碍相关特征与肌肉减少症的因果关系

IVW分析结果显示，认知表现状态与步行速度呈正相关（OR=1.10，95%CI：1.08～1.12，P=7.42×10–25），认知表现状态与ALM呈正相关（OR=1.12，95%CI：1.08～1.15，P=1.52×10–11），认知表现状态与握力大小无显著因果关系（OR=1.02，95%CI：0.99～1.04，P=1.36×10–1）。根据敏感度分析认知功能相关工具变量存在异质性，因此固定效应模型检验。根据IVW分析结果显示，认知功能与步行速度呈正相关（OR=1.02，95%CI：1.01～1.03，P=1.06×10–4），认知功能与握力大小无显著因果关系（OR=1.01，95%CI：0.99～1.02，P=2.44×10–1），认知功能与ALM无显著因果关系（OR=1.02，95%CI：1.00～1.04，P=4.80×10–2），见图3。在认知功能与ALM的加权模式分析中与其他4种结果方向不一致，但此结果不影响IVW结局。其统计学方法结果方向均与IVW方向一致。敏感度分析结果显示，所选择暴露因素工具变量未表现出水平多效性，见表3。留一法结果表明，未见明显离群值。

3""讨论

肌肉减少症与认知障碍是老年人中常见疾病，本研究结果为肌肉减少症与认知障碍存在着较强的因果关系提供新的证据。在既往纵向研究中，患有肌肉减少症的老年人的认知评分低于非肌肉减少症患者，两者之间存在相互影响的关系[16]。这可能与肌肉-脑轴理论中肌肉收缩可调节肌因子的表达相关，由于骨骼肌质量的减少，某些肌因子的分泌水平异常增加或减少，一些具有神经保护作用的肌肉因子如脑源性神经营养因子分泌减少，影响神经元的生长和存活，导致并加剧认知障碍。异常的肌因子分泌模式可导致中枢神经系统和外周组织之间的通信失调，对脑功能产生不良影响，从而导致认知能力下降[17]。动物实验表明，小鼠肌肉质量的显著增加可缓解认知能力下降，与本研究相印证[18]。因此，在老年人群体中，通过对ALM水平的筛查，不仅可诊断老年人是否患有肌肉减少症，而且对认知障碍疾病具有示警和预防作用。研究表明身体活动可增加脑源性神经营养因子和胰岛素样生长因子的水平，这提供增强或维持认知状态的能力。一项前瞻性队列研究指出，缓慢的步行速度可减少老年人的身体活动，增加认知能力下降的风险，而认知功能下降的老年人可通过体力活动量改善[19-20]。本研究表明握力水平与认知功能存在正相关关系，既往的研究表明握力可作为监测认知能力下降进展的手段[21-22]。越来越多的证据表明，力量训练干预可改善认知功能，进而支持普通人群的肌肉力量与认知功能之间的正向关系结论[23-24]。

在反向MR研究中，步行速度和认知障碍存在双向因果关系，ALM和认知表现存在正向因果关系，考虑这可能是因为步行速度慢是认知障碍最敏感的指标，也是一种肌肉减少症特征表现。一项横断面研究指出与认知功能正常者相比，患有认知障碍的老年人的肌肉减少症发生率显著更高[25]。系统回顾研究中指出认知障碍是导致肌肉减少症发展的独立因素，但认知障碍导致肌肉减少症相关的具体机制尚未得到充分说明。

本研究使用双向MR探索肌肉减少症认知障碍的双向因果关系，一定程度可避免混杂因素、反向因果关系影响。敏感度分析确保结果的稳健，使肌肉减少症和认知障碍之间因果关系的推断更可靠。然而本研究仍存在不足。首先，本分析中纳入的人群为欧洲人群，这可能忽视其他种族特有生活方式，无法直接从其他种族中得出相应结论。其次，虽然肌肉减少症和认知障碍之间的因果关系在一定程度上得到证实，但这种方法并不能完全概括临床试验，需要在未来的试验中进一步评估。

研究结果表明肌肉减少症可导致认知障碍疾病发生的风险增高，ALM和认知表现存在双向因果关系。因此对老年人进行肌肉减少症筛查对认知障碍的预防是合理的，适当的认知训练结合阻力训练对肌肉减少症和认知障碍的恢复和预防均有帮助。

利益冲突：所有作者均声明不存在利益冲突。

[参考文献]

[1] PETERMANN-ROCHA"F，"BALNTZI"V，"GRAY"S"R，"""et"al."Global"prevalence"of"sarcopenia"and"severe"sarcopenia："A"systematic"review"and"Meta-analysis[J]."J"Cachexia"Sarcopenia"Muscle，"2022，"13（1）："86–99.

[2] CAWTHON"P"M，"MANINI"T，"PATEL"S"M，"et"al."Putative"cut-points"in"sarcopenia"components"and"incident"adverse"health"outcomes："An"sdoc"analysis[J]."J"Am"Geriatr"Soc，"2020，"68（7）："1429–1437.

[3] MCCOLLUM"L，"KARLAWISH"J."Cognitive"impairment"evaluation"and"management[J]."Med"Clin"North"Am，"2020，"104（5）："807–825.

[4] JO"D，"YOON"G，"KIM"O"Y，"et"al."A"new"paradigm"in"sarcopenia："Cognitive"impairment"caused"by"imbalanced"myokine"secretion"and"vascular"dysfunction[J]."Biomed"Pharmacother，"2022，"147："112636.

[5] ZHU"H，"LI"H"D，"FENG"B"L，"et"al."Association"between"sarcopenia"and"cognitive"impairment"in"community-"dwelling"population[J]."Chin"Med"J"（Engl），"2020，"134（6）："725–727.

[6] YUAN"S，"LARSSON"S"C."Epidemiology"of"sarcopenia："Prevalence，"risk"factors，"and"consequences[J]."Metabolism，"2023，"144："155533.

[7] LIU"C，"LIU"N，"XIA"Y，"et"al."Osteoporosis"and"sarcopenia-related"traits："A"bi-directional"Mendelian"randomization"study[J]."Front"Endocrinol"（Lausanne），"2022，"13："975647.

[8] VANDERWEELE"T"J，"TCHETGEN"Tnbsp;E，"CORNELIS"M，"et"al."Methodological"challenges"in"Mendelian"randomization[J]."Epidemiology，"2014，"25（3）："427–435.

[9] MORLEY"J"E."An"overview"of"cognitive"impairment[J]."Clin"Geriatr"Med，"2018，"34（4）："505–513.

[10] CHEN"L"K，"WOO"J，"ASSANTACHAI"P，"et"al."Asian"working"group"for"sarcopenia："2019"consensus"update"on"sarcopenia"diagnosis"and"treatment[J]."J"Am"Med"Dir"Assoc，"2020，"21（3）："300–307.

[11] BURGESS"S，"THOMPSON"S"G."Avoiding"bias"from"weak"instruments"in"mendelian"randomization"studies[J]."Int"J"Epidemiol，"2011，"40（3）："755–764.

[12] HARTWIG"F"P，"DAVEY"S"G，"BOWDEN"J."Robust"inference"in"summary"data"mendelian"randomization"via"the"zero"modal"pleiotropy"assumption[J]."Int"J"Epidemiol，"2017，"46（6）："1985–1998.

[13] BOWDEN"J，"DAVEY"S"G，"HAYCOCK"P"C，"et"al."Consistent"estimation"in"mendelian"randomization"with"some"invalid"instruments"using"a"weighted"median"estimator[J]."Genet"Epidemiol，"2016，"40（4）："304–314.

[14] GRECO"M"F，"MINELLI"C，"SHEEHAN"N"A，"et"al."Detecting"pleiotropy"in"Mendelian"randomisation"studies"with"summary"data"and"a"continuous"outcome[J]."Stat"Med，"2015，"34（21）："2926–2940.

[15] ZHENG"J，"BAIRD"D，"BORGES"M"C，"et"al."Recent"developments"in"Mendelian"randomization"studies[J]."Curr"Epidemiol"Rep，"2017，"4（4）："330–345.

[16] HU"Y，"PENG"W，"REN"R，"et"al."Sarcopenia"and"mild"cognitive"impairment"among"elderly"adults："The"first"longitudinal"evidence"from"charls[J]."J"Cachexia"Sarcopenia"Muscle，"2022，"13（6）："2944–2952.

[17] OUDBIER"S"J，"GOH"J，"LOOIJAARD"S，"et"al."Pathophysiological"mechanisms"explaining"the"association"between"low"skeletal"muscle"mass"and"cognitive"function[J]."J"Gerontol"A"Biol"Sci"Med"Sci，"2022，"77（10）："1959–1968.

[18] BAEK"J"S，"SHIN"Y"J，"MA"X，"et"al."Bifidobacterium"bifidum"and"lactobacillus"paracasei"alleviate"sarcopenia"and"cognitive"impairment"in"aged"mice"by"regulating"gut"microbiota-mediated"AKT，"NF-κB，"and"FOXO3a"signaling"pathways[J]."Immun"Ageing，"2023，"20（1）："56.

[19] QUAN"M，"XUN"P，"CHEN"C，"et"al."Walking"pace"and"the"risk"of"cognitive"decline"and"dementia"in"elderly"populations："A"Meta-analysis"of"prospective"cohort"studies[J]."J"Gerontol"A"Biol"Sci"Med"Sci，"2017，"72（2）："266–270.

[20] TANIGAWA"T，"TAKECHI"H，"ARAI"H，"et"al."Effect"of"physical"activity"on"memory"function"in"older"adults"with"mild"Alzheimer’s"disease"and"mild"cognitive"impairment[J]."Geriatr"Gerontol"Int，"2014，"14（4）："758–762.

[21] FIRTH"J，"STUBBS"B，"VANCAMPFORT"D，"et"al."Grip"strength"is"associated"with"cognitive"performance"in"schizophrenia"and"the"general"population："A"UK"biobank"study"of"476559"participants[J]."Schizophr"Bull，"2018，"44（4）："728–736.

[22] MCGRATH"R，"VINCENT"B"M，"HACKNEY"K"J，"et"al."The"longitudinal"associations"of"handgrip"strength"and"cognitive"function"in"aging"Americans[J]."J"Am"Med"Dir"Assoc，"2020，"21（5）："634–639.

[23] MAVROS"Y，"GATES"N，"WILSON"G"C，"et"al."Mediation"of"cognitive"function"improvements"by"strength"gains"after"resistance"training"in"older"adults"with"mild"cognitive"impairment："Outcomes"of"the"study"of"mental"and"resistance"training[J]."J"Am"Geriatr"Soc，"2017，"65（3）："550–559.

[24] MONTERO-ODASSO"M，"ZOU"G，"SPEECHLEY"M，"""et"al."Effects"of"exercise"alone"or"combined"with"cognitive"training"and"vitamin"D"supplementation"to"improve"cognition"in"adults"with"mild"cognitive"impairment："A"randomized"clinical"trial[J]."JAMA"Netw"Open，"2023，"6（7）："e2324465.

[25] YIGIT"B，"ONER"C，"CETIN"H，"et"al."Association"between"sarcopenia"and"cognitive"functions"in"older"individuals："A"cross-sectional"study[J]."Ann"Geriatr"Med"Res，"2022，"26（2）："134–139.

（收稿日期：2024–09–23）

（修回日期：2024–12–13）